Las tecnologías de almacenamiento de hidrógeno en vehículos y su proyección de futuro

Numerosos estudios señalan al hidrógeno como vector energético del futuro y defienden un modelo de sistema energético basado en la generación distribuida a partir de fuentes renovables (véase, por ejemplo, el bestseller de Jeremy Rifkin “La economía del hidrógeno”)¹. Según estos estudios, la electricidad sobrante durante las horas de baja demanda se utilizará para generar hidrógeno, que se almacenará y se utilizará posteriormente, bien para generar electricidad durante las horas de alta demanda, bien para la propulsión de vehículos. El objetivo de este artículo no es defender ni rebatir este modelo, sino presentar las tecnologías disponibles hoy en día para almacenar el hidrógeno a bordo de vehículos y comentar sus características principales.

Propiedades físicas del hidrógeno

El hidrógeno destaca, dicho coloquialmente, por estar siempre lejos del término medio.
Enumeremos algunas de sus principales características para mostrar este hecho:

a) Su punto de ebullición es extremadamente bajo (-253º C a presión atmosférica) aunque el incremento de la presión aumenta ligeramente la temperatura de ebullición, alcanzándose un máximo de -240ºC a 13 bares.

b) Es el menos denso de todos los gases: 0,08376 kg/m3 a 20º C y 1 bar.

c) Su poder calorífico inferior es muy elevado por unidad de masa (119,83 kJ/g frente a 55,53 kJ/g del metano) pero, debido a su baja densidad, su poder calorífico inferior por unidad de volumen es muy bajo (10.050 kJ/m3 frente a, por ejemplo, los 32.560 kJ/m3 del metano a 15º C y 1 bar).

d) Tiene una muy baja energía de activación y muy amplios rangos de inflamabilidad y explotabilidad, por lo que cualquier mezcla con aire prende o explota fácilmente: la electricidad estática, el contacto con una superficie caliente o incluso el choque de dos metales en sus cercanías son posible fuentes de ignición (por ello no se encuentra libre en la naturaleza).

e) Es incoloro, inodoro y su llama es invisible.

f) Existen materiales, en especial algunos aceros, que se vuelven frágiles en contacto prolongado con el hidrógeno, pudiendo fallar mecánicamente si este efecto no se tiene en cuenta.

g) Dado el pequeño tamaño de la molécula, el hidrógeno gaseoso tiene mayor tendencia que otras sustancias a penetrar a través de pequeñas fisuras, juntas o incluso materiales poliméricos.

Para ilustrar el significado de los valores de densidad y poder calorífico hagamos una comparación: supongamos un coche con un depósito de 50 litros de gasolina, es decir, unos 42 kg en peso y 1.580 MJ de energía almacenada.

Para almacenar la misma cantidad de energía, harían falta 13,2 kg de hidrógeno, que a 15º C y 1 bar ocuparían 158 m3.

Naturalmente, este volumen no es viable para ser transportado a bordo de un coche, por lo que hay que aumentar la densidad del gas. Para ello existen dos alternativas: el almacenamiento como gas a alta presión o el almacenamiento como líquido a temperaturas criogénicas².

Hidrógeno comprimido

Como cualquier otro gas, el hidrógeno se puede comprimir para reducir su volumen específico. La Figura 1 muestra la densidad del hidrógeno en función de la presión a una temperatura de 0º C. En ella se puede ver que aumentos progresivos de presión cada vez consiguen aumentos menores de densidad.

Ahora bien, ¿en qué zona de la curva se mueve la tecnología?

El transporte y suministro convencional de hidrógeno se efectúa en botellas de acero a una presión de 200 bares3 para ser utilizado en procesos de soldadura y para inertizar atmósferas, entre otras aplicaciones. En los proyectos de demostración de vehículos movidos con hidrógeno se han empleado presiones superiores: los autobuses de Madrid y Barcelona (proyecto CUTE, año 2003) almacenan el hidrógeno a 350 bares, mientras que los más recientes proyectos (por ejemplo Nissan X-Trail
SUV, año 2005) han llegado a 700 bares. Sin embargo, la tecnología empleada en la fabricación de las botellas es muy diferente. En el siguiente apartado expondremos las características de las distintas tecnologías.

Tecnologías de cilindros

Los cilindros para almacenamiento de gases a alta presión se dividen en cuatro categorías:

• Tipo I: son las botellas tradicionales, hechas completamente de metal, generalmente acero. Debido a su elevado peso, su uso para almacenamiento de hidrógeno como combustible es inviable en vehículos.
• Tipo II: son cilindros de metal, generalmente aluminio, reforzado en su parte recta con materiales compuestos (fibras de vidrio o carbono), que ofrecen la ventaja de una reducción en peso frente a los de tipo I y que son los que normalmente se emplean en vehículos cuyo combustible es el gas natural.
• Tipo III: estos cilindros están formados por una delgada capa metálica llamada liner, recubierta por materiales compuestos. Los materiales compuestos son los que soportan los esfuerzos mecánicos mientras que el liner evita el paso del hidrógeno. Estos cilindros soportan presiones superiores que los de tipo I y tipo II, con lo que se reducen significativamente las necesidades de espacio.
• Tipo IV: son como los de tipo III, pero el liner es un polímero en lugar de un metal.Trabajan con las mismas presiones y tienen un peso algo menor. Sin embargo, la difusividad del hidrógeno a través del liner es mayor, lo que puede ser un problema de seguridad, y por otro lado, soportan un número menor de ciclos de carga y descarga.

Los cilindros de tipo I y tipo II llegan a presiones de trabajo de 300 bares, mientras que los tipos III y IV tienen presiones de diseño de hasta 700 bares a bordo de un vehículo y 880 bares en aplicaciones estacionarias. En la actualidad existen programas de investigación para llegar hasta 1.000 bares, pero, a la vista de la Figura 1, es poco probable que se desarrollen presiones superiores porque la ganancia en densidad será cada vez menor.

Es importante destacar el alto coste económico de los materiales compuestos. Así, un cilindro de tipo I para presión de 200 bares puede costar 250 €/kg de hidrógeno de capacidad, mientras que uno de tipo III puede costar 1.000 €/kg si es para 350 bares y hasta 1.700 €/kg si es para 700 bares⁴.

Otro punto a considerar es que si el vehículo está equipado con varios cilindros (como en el caso de los autobuses) más espacio suele quedar sin utilizar debido al espacio residual entre ellas.

Estado de la tecnología

La Figura 2 muestra las densidades energéticas y volumétricas de distintas tecnologías y presiones. El volumen se ha obtenido a partir de la longitud del cilindro y del radio externo mientras que el peso incluye el peso de la botella y el peso del hidrógeno en ella almacenado. La dispersión en los datos se debe a que las botellas no son cilindros perfectos –sus extremos están abombados–, a la relación entre superficie y volumen y a que el espesor de la pared tiene menos importancia cuanto mayor es la botella. Se pueden hacer las siguientes observaciones en la Figura 2:

• Cuanto más arriba en la Figura, más ligero es el sistema de almacenamiento.
• Cuanto más a la derecha en la Figura, menos voluminoso es el sistema.
• Cuanto mayor es la presión, menos voluminoso es el sistema.
• A 500 bares se obtiene el óptimo en cuanto a peso.
• El paso de cilindros tipo II a tipos III o IV supone una mejora en peso, pero sobre todo en volumen debido al aumento de presión de almacenamiento.
• Los cilindros de tipo IV efectivamente son algo más ligeros que los de tipo III.

Hidrógeno líquido

Una posible estrategia para aumentar la densidad del hidrógeno y facilitar su transporte consiste en enfriarlo por debajo de su punto de ebullición, de forma que pase a estado líquido. La densidad del hidrógeno líquido es de 70,8 kg/m3 a -253º C y 1 bar, superior a la del hidrógeno gaseoso incluso a presiones tan elevadas como 1.000 bares (60,4 kg/m3), pero muy inferior a los valores de densidad de líquidos a los que estamos más habituados como el agua (1.000 kg/m3) o la gasolina (700 kg/m3). El proceso de licuefacción del hidrógeno es muy intensivo energéticamente (entre el 30 y el 40% del contenido energético del hidrógeno licuado) y tecnológicamente complejo (sólo existen veinte plantas de este tipo en el mundo, de las cuales cuatro están en Europa: dos en Alemania, una en Holanda y otra en Francia). Para mantener el hidrógeno en estado
líquido, es necesario almacenarlo en depósitos fuertemente aislados térmicamente.

Tecnología de tanques criogénicos

Los tanques que se emplean a bordo de los vehículos contienen una mezcla bifásica de hidrógeno que se mantiene a una presión de entre 3 y 10 bares aproximadamente. Si la presión es demasiado baja, parte del hidrógeno se vaporiza por medio de una resistencia eléctrica o permitiendo el intercambio de calor con el exterior, y si la presión es demasiado alta, se expulsa parte del hidrógeno gaseoso. El aislamiento térmico es la parte fundamental de la tecnología de estos tanques y está formado por varias capas de vacío separadas por capas de fibras. Este aislamiento permite que los depósitos permanezcan hasta 10 días antes de que sea necesario expulsar hidrógeno al exterior y, una vez que se empiezan a producir expulsiones, el ritmo de pérdida diaria es aproximadamente un 1% de la capacidad del tanque.

Los tanques para vehículos se fabrican en forma cilíndrica, no tanto por la presión interior sino para maximizar el volumen interno frente a la superficie de intercambio de calor con el exterior. Por ello, la longitud y el diámetro se intentan hacer parecidos, pero las necesidades de cada proyecto concreto pueden forzar a utilizar otras geometrías con peores prestaciones.

El uso de unas temperaturas tan reducidas no sólo tiene el problema del aislamiento, sino también otros como la contracción y la fragilización de los materiales, la posibilidad de congelación del oxígeno del aire circundante, el posible derrame en caso de accidente y su rápida expansión en contacto con el aire.

Estado de la tecnología

Para una geometría optimizada se pueden alcanzar densidades de 4,8 MJ/litro de volumen externo y 8,4 MJ/kg, así como de un precio de unos 150 €/kg de hidrógeno de capacidad.

Parece destacable que los proyectos de demostración con hidrógeno líquido en coches son mucho menos abundantes que los que emplean hidrógeno gaseoso. Los que emplean hidrógeno líquido los está realizando BMW con tecnología de Linde y están empleando motores de combustión interna en lugar de pilas de combustible.

Comparación de tecnologías

En este apartado compararemos el almacenamiento de hidrógeno como líquido y como gas con la gasolina. Destaquemos las principales características de ésta:

• Tiene unas considerables densidades energéticas de 44,5 MJ/kg y 31,1 MJ/litro.
• Es un líquido a las temperaturas usuales de operación, por lo que no hay necesidad de utilizar bajas temperaturas o elevadas presiones, con lo que se gana seguridad y facilidad de uso.
• Ya existe una infraestructura de distribución.
• Se puede repostar un coche en pocos minutos.
• Esto también es posible con el hidrógeno, pero sí es una ventaja frente a otras tecnologías como las baterías.
• A pesar de ser inflamable y volátil, por el hábito de usarlo, no asociamos una idea de peligro tan clara con la gasolina como asociamos al hidrógeno o incluso al gas natural.

La Figura 3 muestra una comparación de las distintas tecnologías, donde, para el caso de la gasolina se ha supuesto un depósito de 50 litros de capacidad donde el material del tanque ocupa un volumen despreciable y pesa 40 kg y para el hidrógeno 13 kg de capacidad, que sería el equivalente energético. Se puede apreciar que un sistema de hidrógeno líquido ocuparía 3,8 veces más que uno de gasolina y pesaría 3,7 veces más, mientras que uno gaseoso a 700 bares ocuparía 6,5 veces más y pesaría 5,5 veces más.

Es importante notar que en el caso del hidrógeno líquido el 93% del peso del sistema se debe al tanque y el 7% al hidrógeno que contiene, mientras que en el caso del hidrógeno gaseoso a 700 bares, el 95,3% del peso se debe al depósito y sólo el 4,7% al hidrógeno. En cuanto al volumen, tanto para el hidrógeno gaseoso a 700 bares como para el hidrógeno líquido, aproximadamente el 56% del volumen se debe al hidrógeno y el 44% al espesor del cilindro y al espacio perdido en los extremos del cilindro.

Por otro lado, sólo el hidrógeno, sin el sistema de almacenamiento, supone 6,1 veces más en volumen en el caso del hidrógeno gaseoso a 700 bares y 3,7 veces más en el caso del hidrógeno líquido que un sistema de gasolina.

Conclusiones

a) El almacenamiento gaseoso requiere utilizar muy altas presiones. Se han contruido sistemas a 700 bares, requiriendo 6,5 veces más en volumen y 5,5 veces más en peso que un sistema de gasolina y el empleo de presiones mayores no aportará mejoras significativas.

b) El almacenamiento líquido supone temperaturas criogénicas y un gran coste energético en el proceso de licuefacción. El sistema de almacenamiento requiere 3,7 veces más en peso y 3,8 veces más en volumen que uno de gasolina.

c) El coste de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno es muy elevado, sobre todo gaseoso, por la necesidad de utilizar materiales como fibras de vidrio o de carbono.

d) Por sus propiedades físicas, el hidrógeno como combustible de vehículos, almacenado como gas o como líquido, no podrá
ofrecer las mismas prestaciones que la gasolina en cuanto a volumen.

e) En cuanto al peso, el problema se debe a los tanques de almacenamiento y no al propio hidrógeno. Es posible que estos sistemas mejoren en el futuro, pero no es probable que lleguen a ofrecer las mismas prestaciones que un depósito de gasolina.

f) Por ello, el almacenamiento condicionará fuertemente el diseño de los vehículos de hidrógeno o éstos sólo podrán ofrecer autonomías sensiblemente inferiores a los actuales.

g) Otras tecnologías de almacenamiento podrían ofrecer mejores prestaciones. No obstante, hoy en día no están disponibles comercialmente.

Referencias

(1) Como contrapunto, se propone al lector interesado consultar los artículos de Ulf Bossel o de otros autores del European Fuel Cell Forum, como “The Future of Hydrogen Economy: Bright or Bleak?” o “The Physics of the Hydrogen Economy”.

(2) Existen programas de investigación sobre otros sistemas de almacenamiento, como los hidruros metálicos o las
nanoestructuras de carbono, pero estos sistemas actualmente están aún en una fase inicial de desarrollo.

(3) Es posible que el lector haya visto camiones transportando estas botellas. Las destinadas al almacenamiento de hidrógeno se identifican, en España, por ir pintadas completamente de rojo.

(4) Estos valores son orientativos, se refieren a botellas relativamente grandes, tamaños estándar y volúmenes apreciables de producción. El precio de botellas más pequeñas, construidas a medida y para altas presiones es sensiblemente más elevado.

Por: Andrés Causapé Rodríguez
Ingeniero Industrial de ICAI de la promoción 2003.
Ha trabajado en proyectos de investigación y desarrollo
en el sector ferroviario y en el sector del hidrógeno y las pilas de combustible,
concretamente en los sistemas de almacenamiento y suministro a vehículos.
Comentarios a: [email protected]
Fuente: anales de mecánica y electricidad / Madrid / julio-agosto 2006

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